木材微波预处理与超声波辅助染色的研究

论文摘要

染液向木材内部的渗透主要是从木材端面(细胞横断面)沿纵向进行,径向和弦向的渗透能力很微弱,即从木材表面开口的细胞腔渗透的染料,通过纹孔向纵向邻接的细胞腔渗透路径为主,同时由细胞腔向细胞壁扩散,而细胞的径向和弦向存在的纹孔作为通道的能力很差。由于木材、染料和溶剂之间的相互作用,以及染料的选择吸附等因素影响,即使是3mm厚度的单板,在常规染色条件下也很难实现整体匀染。采用微波预处理可以改变木材微观结构,增加细胞间的连通孔隙,改善木材的渗透性。本论文以板材厚度为25mm的山杨(Populous tremula)、白桦(Betula platyphylla)和柞木(Querus mongolica)为试材,经微波预处理后真空加压染色,研究其渗透和染色性能,分析木材初含水率、微波处理时间和微波辐照功率等预处理条件对木材渗透性能和着色性能的影响,杨木的边材和湿心材、桦木的弦切材和径切材微波处理后渗透性与染色性的差异,并通过正交试验确定杨木、桦木和柞木的微波预处理优化工艺;超声波辅助染色是利用超声波的空化作用,在瞬间高温、高压、高射流的染浴中达到辅助染色的目的,本论文研究了超声波功率、桦木单板厚度和染液浓度等因子对单板染色上染率的影响,并确定了3mm厚桦木单板超声波辅助染色优化工艺,运用染色热力学和动力学原理、木材微观构造变化及红外光谱分析等,探讨了超声波辅助染色机理。得出以下结论:(1)杨木、桦木和柞木的染液渗透能力和上染着色性能受木材初含水率、微波功率和微波处理时间的影响,经微波预处理和真空加压染色试验结果表明:在木材纤维饱和点以上,随着木材初含水率的升高,木材的增质率和上染率均有明显降低,杨木、桦木和柞木在含水率为30%左右时增质率和上染率均为最高。三种木材的增质率和上染率随着微波功率的增加和时间的延长而增大。微波预处理材较未处理材的增质率和染色上染率都有明显提高。在相同的微波处理条件下,杨木边材的增质率和上染率均大于杨木湿心材。(2)以木材初含水率、微波辐照功率和微波辐照时间为试验因素,以木材增质率和上染率为试验指标进行微波预处理正交试验,并经真空加压染色,试验结果以SAS进行方差及极差分析,确定了不同树种木材的微波预处理的优化工艺。结果表明:木材初含水率控制为30%左右,微波辐照功率为23.8kw,微波辐照时间为35s,杨木、桦木和柞木在此条件下均可获得较高的增质率和上染率,木材的初含水率对增质率影响较大,微波处理时间对木材的染色上染率影响最大。(3)利用超声波的空化效应,染液中的桦木单板受瞬间高温、高压、高射流的作用,上染率得到明显提高。在相同的温度和时间条件下,单板超声波辅助染色的上染率高于于常规高温浸染。单板染色上染率和上染速率随超声功率的增强而增大,随染液浓度的提高而提高,随单板的厚度增加而减小。经微波预处理和饱水后的3mm桦木单板为试材,超声波处理时间、超声波频率和染色温度为试验因素,染色上染率为试验指标,采用L9(34)正交试验,试验结果的极差直观分析和SAS进行的方差分析表明:超声波染色温度对桦木单板上染率影响显著;3mm桦木单板采用酸性大红GR超声波辅助染色优化工艺为染色温度80℃、染色时间6h、超声波频率45kHz。经微波预处理的3mm桦木单板采用超声波辅助染色的方法可以实现单板整体的匀染。(4)超声波辅助染色的热力学分析结果表明:相同温度下,超声波辅助染色桦木单板的上染率和上染速率均高于常规染色工艺;采用超声波辅助染色可以有效地提高染料的亲和力和上染率。(5)超声波辅助染色的动力学分析结果表明:随着温度的升高,染料的扩散系数随之增大,在相同温度条件下,超声波辅助染色的扩散系数均高于常规染色的扩散系数,超声波辅助染色80℃的扩散系数较常规染色95℃提高了61.87%。酸性大红GR染料超声波辅助染色和常规染色的扩散活化能分别为10.43kJ/mol和13.95kJ/mol,超声波作用使扩散活化能降低了33.81%。(6)采用扫描电镜观察微波预处理后的木材发现:导管壁上纹孔膜产生细小裂纹,细胞壁出现了较长裂缝;观察超声波辅助染色处理后的桦木发现:超声波作用扩大了微波预处理在纹孔膜产生的裂隙,导管内壁出现分层等现象,从而增加了染液渗透的通道和木材染色的表面积。(7)对超声波处理与热水浸煮桦木进行FTIR红外光谱分析,超声波处理的桦木在纤维素、木质素以及半纤维素的吸收峰的吸收强度小于热水浸煮处理,这表明超声波处理较热水处理对纤维素、半纤维素和木质素的结构破坏性大,为提高染色性能创造了条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 木材染色的研究
• 1.2.1 木材染色用染料
• 1.2.2 染色方法
• 1.2.3 染色工艺
• 1.2.4 木材染色理论
• 1.3 采用微波处理增强木材渗透性的研究
• 1.3.1 微波概述
• 1.3.2 微波技术在木材改性中的应用
• 1.3.3 木材微波干燥
• 1.3.4 微波处理的工艺
• 1.4 木材的超声波辅助染色研究
• 1.4.1 超声化学简介
• 1.4.2 超声化学原理
• 1.4.3 超声波辅助染色的研究现状
• 1.4.4 超声波染色的原理
• 1.5 研究的目的及意义
• 1.6 研究的内容和解决问题
• 1.6.1 研究的内容
• 1.6.2 重点解决的问题
• 第二章 微波预处理对木材渗透和染色性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验仪器和设备
• 2.2.3 试验方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 木材初含水率对微波处理后染液渗透性的影响
• 2.3.2 微波处理功率对木材染液渗透性的影响
• 2.3.3 微波处理时间对木材染液渗透性的影响
• 2.3.4 微波预处理对杨木边材、湿心材染色效果影响的比较
• 2.3.5 微波处理对桦木弦、径切材染色效果影响的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 木材染色的微波预处理优化工艺
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验设备
• 3.2.3 试验方法
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 杨木的微波预处理优化工艺确定
• 3.3.2 桦木的微波处理优化工艺确定
• 3.3.3 柞木的微波处理优化工艺确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 超声波辅助染色工艺及其对染色性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 试验方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 超声波功率对木材染色性能的影响
• 4.3.2 单板厚度对超声波助染的影响
• 4.3.3 染液浓度对染色性能的影响
• 9（3⁴）确定超声波的助染工艺'>4.3.4 正交试验L₉（3⁴）确定超声波的助染工艺
• 4.3.5 微波预处理和超声波辅助染色对木材匀染性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 超声波辅助染色机理的研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验设备
• 5.2.3 试验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 超声波助染的热力学分析
• 5.3.2 超声波助染动力学分析
• 5.3.3 桦木超声波助染微观构造变化
• 5.3.4 桦木超声波助染红外光谱分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.1.1 微波预处理对木材渗透和染色性能的影响
• 6.1.2 木材染色的微波预处理优化工艺
• 6.1.3 超声波辅助染色工艺及其对染色性能的影响
• 6.1.4 超声波辅助染色机理的研究
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录A 论文中常用符号
• ∞与D_t/a²的关系表'>附录B Mt/M_∞与D_t/a²的关系表
• 在读期间的学术研究
• 致谢